基于行人保護FLEXPLI腿型的車輛前結構改進分析

韓海英++趙正++譚冰花++李博

摘要： 歐盟新車評價規程Euro NCAP中的TRL腿型驗算即將被FLEXPLI腿型驗算替代，所以針對前者開發的某款車型在使用新標準驗算時不能得到滿分。運用計算機仿真對該車型前端結構進行改進：去除前保險杠吸能泡沫；重新設計W形結構的下腿部保護橫梁，在碰撞點對應位置增加與FLEXPLI腿型寬度相同的加強筋，加大下腿部保護橫梁與前保橫梁的距離；改進導風板局部結構。對改進后前端結構進行FLEXPLI腿型驗算，達到得分為滿分的目標。

關鍵詞： 汽車安全； 汽車前端結構； 行人保護； FLEXPLI腿型

中圖分類號： U463.821文獻標志碼： B

Vehicle front structure improvement and analysis based on

FLEXPLI legform for pedestrian protection

HAN Haiying， ZHAO Zheng， TAN Binghua， LI Bo

（Advanced Engineering & Core Technology Institute， Chery Automobile Co.， Ltd.， Wuhu 241009， Anhui， China）

Abstract： The TRL legform checking calculation in Euro NCAP will be replaced by FLEXPLI legform checking calculation ， so a vehicle type which is designed on the basis of TRL legform will fail to achieve full marks when the new standard checking calculation is pushed out. The front structures of this vehicle are improved by computer simulation. The absorbing energy foam in front bumper is removed. The Wshape pedestrian cruris protection bumper is redesigned： the reinforcing ribs are added corresponding to the impact points and its width is equal to the legform width in FLEXPLI， the distance between cruris protection bumper and front bumper is increased， and the local structures of air deflector is improved. The FLEXPLI legform checking calculation is carried out for the original and improved front structures， and the goal of full marks can be achieved.

Key words： vehicle safety； vehicle front structure； pedestrian protection； FLEXPLI legform

收稿日期： 2017[KG*9〗02[KG*9〗10修回日期： 2017[KG*9〗03[KG*9〗29

作者簡介： 韓海英（1986—），女，安徽蕪湖人，工程師，研究方向為汽車行人保護，（Email）hanhaiying@163.com0引言

汽車安全性是汽車設計的重要課題之一，在汽車安全設計中，行人保護越來越受到重視。歐盟新車評價規程Euro NCAP早已將行人保護作為評價內容之一，而且所占比例越來越高。[12]中國新車評價規程CNCAP計劃于2018年加入行人保護評價，且五星門檻高達65%，對行人保護設計能力提出更高的要求。[3]Euro NCAP從7.0版本開始將行人下腿部評價更新為FLEXPLI腿型。[45]與原來的TRL腿型相比，FLEXPLI腿型的傷害指標和評價方法有很大變化，對車輛前端結構的要求也發生一定變化，給新車型的開發提出新的挑戰。[6]

影響行人下腿部保護的車輛前端結構主要有前保險杠橫梁及其吸能裝置、下腿部保護橫梁、發動機罩前緣、前保險杠蒙皮、前大燈等。由于車輛造型的限制，前保險杠蒙皮、前大燈和發動機罩前緣改動量較小[7]，前保險杠橫梁及其吸能裝置和下腿部保護橫梁對下腿部起主要影響作用。由于傷害指標及評價方法的更新，FLEXPLI腿型與TRL腿型對于前端結構的要求不盡相同。[8]本文針對某開發車型，基于Euro NCAP行人下腿部碰撞要求，對其前端結構進行改進，結果達到Euro NCAP FLEXPLI腿型評分為滿分。

1Euro NCAP行人下腿部評價規程

在Euro NCAP中，TRL腿型傷害指標為脛骨加速度、彎曲角度和剪切位移，FLEXPLI腿型傷害指標分為韌帶伸長量和脛骨彎矩2類，具體傷害指標及性能值見表1。[9]

Euro NCAP TRL腿型評價規定在前保險杠上選擇最能引起傷害的3個碰撞點，每個碰撞點按照傷害指標中最差項算分，滿分為2分，介于高低性能值之間時采用線性插值計算得分，3個碰撞點得分相加即為TRL腿型評價的最終得分。

Euro NCAP FLEXPLI腿型評價規定每個碰撞點的得分由脛骨彎矩和韌帶伸長量組成，2項滿分均為0.5分，其中：脛骨彎矩按照T1～T4中最差項結果進行評價；韌帶伸長量中的ACL和PCL小于10 mm可得分，大于10 mm不得分，MCL與脛骨彎矩評分方法相同。將碰撞區域內每個碰撞點的得分相加除以碰撞點的個數，可得到FLEXPLI腿型評價的最大得分率，最大得分率乘以6即為FLEXPLI腿型評價的最終得分。[10]endprint

2初步分析

2.1模型建立

截取車輛前端結構模型，見圖1。車輛前端結構采用5 mm×5 mm的網格尺寸劃分網格，約束后端6個自由度，下腿部保護橫梁采用塑料件，前保橫梁吸能泡沫密度為30 g/L。FLEXPLI腿型分析采用HUMANETICS公司開發的FLEXPLI GTR有限元腿型，其網格劃分和結構示意見圖2，其中LCL為膝蓋外側韌帶伸長量。該模型共有30個傳感器，總質量為13.04 kg[11]。

2.2結果分析

在某車型開發初期，根據前文建立的模型分析Euro NCAP TRL腿型，結果見表2，總分為滿分。從2014年開始，Euro NCAP更新下腿部模型，對傷害指標和評價標準均進行更新，要求計算FLEXPLI腿型，原車型分析結果見表3，行人保護下腿部總分為4.57分，表中下劃線數據表示未得到滿分。因此，基于TRL腿型開發的車型，應用FLEXPLI腿型試驗，取得滿分存在風險。表 2Euro NCAP TRL腿型分析結果

Tab.2Euro NCAP TRL legform analysis results碰撞區域邊界中間位置拖車鉤位置脛骨加速度/g140125137膝蓋彎曲角度/（°）0.968.3111.7剪切位移/mm0.700.670.94分項得分222總分6由表3可以看出：FLEXPLI腿型除L±6這2個碰撞點外，其余碰撞點均沒有得到滿分；L-4～L+4這9個點的脛骨彎矩超過Euro NCAP高性能指標，L±5及L-3這3個點的ACL超出Euro NCAP得分值。

對比分析TRL腿型和FLEXPLI腿型的工作原理動畫和傷害指標的曲線，發現車輛前端結構對2種腿型的作用不同。

（1）對于TRL腿型而言，前保險杠吸能泡沫的剛度對降低脛骨加速度起很大作用，所以前保險杠吸能泡沫的布置空間對于TRL腿型來說至關重要。下腿部保護橫梁與前保險杠泡沫的剛度及位置的合理匹配可有效降低膝蓋彎曲角度。剪切位移一般均可小于Euro NCAP高性能指標。

（2）對于FLEXPLI腿型而言，前保險杠吸能泡沫的剛度對韌帶伸長量和脛骨彎矩的作用降低，吸能效果變得不明顯。合理布置前保險杠橫梁與下腿部保護橫梁的相對位置，才能保證FLEXPLI腿型在運動過程中保持平直。FLEXPLI腿型在碰撞中的平直狀態能夠減小韌帶伸長量和脛骨彎矩，另外，車輛前端結構之間剛度的合理匹配對于降低傷害指標也起到關鍵作用。

3改進分析

3.1改進方案

在該車型的開發過程中，與造型相關的前保險杠蒙皮、前大燈、格柵和前保險杠等結構已經確定，更改這些零件的結構成本太高，最好通過改進車輛內部其他零部件的結構實現FLEXPLI腿型滿分要求，具體方案如下。

3.1.1去除前保險杠吸能泡沫

從FLEXPLI腿型的運動姿態及傷害指標來看，由于前保險杠吸能泡沫的支撐，FLEXPLI腿型從中間關節處開始彎曲，在運動過程中不能保持平直狀態，從而增加韌帶伸長量。FLEXPLI腿型運動姿態見圖3。去除前保險杠泡沫能夠保持FLEXPLI腿型在運動過程中的平直狀態，而且從降低成本的角度來看，也是非常有利的。需要注意的是，該改進方案并不完全適用于所有車型，只有在前保險杠橫梁與前保險杠蒙皮之間的空間滿足經驗值且前保險杠蒙皮和格柵剛度均勻的前提下，去除前保險杠吸能泡沫才是有效的改進方案。由于預留吸能空間，去除泡沫對低速碰撞法規的通過性不會產生影響。在新車型設計初期，為行人保護設計預留足夠的空間至關重要。

圖 3FLEXPLI腿型運動姿態

Fig.3FLEX PLI legform motion attitude

3.1.2重新設計下腿部保護橫梁

在該車型開發初期，沿用現有車型的下腿部保護橫梁即可滿足TRL腿型滿分要求，但是更新為FLEXPLI腿型后，該橫梁的剛度不能滿足滿分要求，須重新設計，具體結構見圖4。圖中虛線內的2個加強筋寬度與FLEXPLI腿型寬度一致，這組加強筋從車輛中間位置開始沿y向每隔100 mm設置一組，與FLEXPLI腿型碰撞點位置對應，共設置7組加強筋。圖中實線內加強筋為L±4和L±5這4個點提供支撐作用。下腿部保護橫梁的截面見圖5，W形結構沿z向貫穿整個撞擊區域，該結構增加橫梁的剛度，防止下腿部向車輛下端甩動，橫梁吸收更多碰撞能量。

圖 4下腿部保護橫梁結構

Fig.4Crossbeam structure for lowerleg protection

圖 5下腿部保護橫梁結構截面

Fig.5Section of crossbeam structure for lowerleg protection

將下腿部保護橫梁的位置x向前移13 mm，加大其與前保險杠的x向距離。該位置的更改主要是考慮去除前保險杠吸能泡沫后，下腿部在最初運動過程中缺少支撐，將下腿部保護橫梁x向前移，能夠彌補這一支撐作用，使得下腿部在運動過程中保持平直。

3.1.3導風板結構優化

分析L±4和L±5這4個碰撞點的運動姿態發現：由于造型原因，發動機蓋前沿較其他碰撞點后移，下腿部上端的支撐作用減小，韌帶伸長量增加。導風板位于碰撞點L+4與L+5和L-4與L-5之間，優化導風板結構可以有效地支撐L±4和L±5這4個碰撞點的下腿部關節，進而減小傷害指標。優化結構見圖6。沿著圖6a）的箭頭分別向y向和x向延長擾流板局部結構，其中箭頭1方向移動至y=500 mm的位置，箭頭2移動至前保險杠前端50 mm的位置，改進后結構見圖6b）。圖中實線圈內的結構可以吸收L±4這2個對稱位置碰撞時產生的能量，達到降低傷害指標的作用，虛線圈內的結構可以對L±5這2個對稱碰撞點起支撐作用，控制碰撞過程中FLEXPLI腿型平直的運動姿態。endprint

3.2改進結果分析

綜合上述3個方案進行CAE分析，結果見表4。改進后的結構得到Euro NCAP FLEXPL1腿型評價滿分。由表4可以看出，車輛前端結構的合理設計及相互間剛度的匹配對降低FLEXPLI腿型傷害指標至關重要。

4結論

根據Euro NCAP行人TRL腿型開發的車型，當使用FLEXPLI腿型驗算時，車輛評價得分降低。對車輛前端結構進行改進，有效降低碰撞點的傷害指標，并達到新Euro NCAP下腿部滿分要求。

（1）在碰撞空間允許并滿足低速碰撞的前提下，去除前保險杠吸能泡沫，能夠減小前保險杠泡沫對FLEXPLI腿型的支撐作用，而且能降低整車成本。 （2）下腿部保護橫梁中與碰撞點對應的y向加強筋和z向W形結構可以起到有效的支撐作用，可減少下腿部向車輛下方的甩動；增加下腿部保護橫梁與前保險杠的x向距離可以使下腿部在運動過程中保持平直，降低傷害指標。（3）在滿足導風板基本導風功能的前提下，改進其局部結構可以對附近位置的FLEXPLI腿型下腿部起到很好的保護作用。

參考文獻：

[1]Euro NCAP. Euro NCAP assessment protocolpedestrian protection V6.0[S/OL]. （20120202） [20170201]. http：//euroncap.blob.core.windows.net/media/1432/euroncapassessmentprotocolppv60.pdf.

[2]Euro NCAP. Euro NCAP assessment protocolpedestrian protection V5.1[S/OL]. （20110702） [20170201]. http：//euroncap.blob.core.windows.net/media/1431/euroncapassessmentprotocolppv51.pdf.

[3]CNCAP管理規則（征求意見稿，2018年版）[S/OL]. （20170110）[20170201]http：//www.cncap.org/upload/201701/121144374tnj.pdf.

[4]Euro NCAP. Euro NCAP assessment protocolpedestrian protection V7.0[S/OL]. （20130210） [20170201]. http：//euroncap.blob.core.windows.net/media/1434/euroncapassessmentprotocolppv70.pdf.

[5]Euro NCAP. Euro NCAP assessment protocolpedestrian protection V7.1.1[S/OL]. （20131202） [20170201]. http：//euroncap.blob.core.windows.net/media/1466/euroncappedestrianprotocolv711.pdf.

[6]劉軍勇， 劉奇， 王大志. 歐洲NCAP行人保護發展趨勢及應對策略探討[J]. 上海汽車， 2013（12）： 5759.

LIU J Y， LIU Q. WANG D Z. Discussion of development trend and countermeasures for Euro NCAP pedestrian protection[J]. Shanghai Auto， 2013（12）： 5759.

[7]呂鋮瑋， 楊海燕， 呂曉江， 等. 行人保護柔性腿型碰撞的車輛前端結構優化設計[J]. 汽車安全與節能學報， 2013， 4（3）： 266272.

LYU C W， YANG H Y， LYU X J， et al. Optimization design of frontend structure for flexible legform of pedestrian protection in crash[J]. Automotive Safety and Energy， 2013， 3（4）： 266272.

[8]王亞軍， 王棟， 施欲亮， 等. Euro NCAP行人保護試驗協議V7.0解析[J]. 汽車工程學報， 2014， 4（4）： 304308.

WANG Y J， WANG D， SHI Y L， et al. Analysis of Euro NCAP pedestrian protection testing protocol V7.0[J]. Chinese Journal of Automotive Engineering， 2014， 4（4）： 304308.

[9]Euro NCAP. Euro NCAP assessment protocolpedestrian protection V8.0[S/OL]. （20140612） [20170201]. http：//euroncap.blob.core.windows.net/media/1436/euroncapassessmentprotocolppv80june2014.pdf.

[10]Euro NCAP. Euro NCAP pedestrian testing protocol V8.2[S/OL]. （20151101） [20170201]. http：//euroncap.blob.core.windows.net/media/21384/euroncappedestriantestingprotocolv82november2015.pdf.

[11]劉衛國， 呂曉江， 孫立志， 等. 國外行人柔性腿型沖擊器的發展及現狀[J]. 汽車工程學報， 2014， 4（6）： 455460.

LIU W G， LYU X J， SUN L Z，et al. Development and status of pedestrian flexible legform impactor abroad[J]. Chinese Journal of Automotive Engineering， 2014， 4（6）： 455460.（編輯武曉英）第26卷 第6期2017年12月計 算 機 輔 助 工 程Computer Aided En-gineeringVol.26 No.6Dec. 2017endprint